Das Stromsystem ist die „Lebensader“ der Volkswirtschaft. Großflächige Stromausfälle können katastrophale Auswirkungen auf die Industrieproduktion, die Existenzsicherung und die öffentliche Sicherheit haben und möglicherweise sogar zum Zusammenbruch des gesamten Energiesystems führen. Daher ist es eine entscheidende und praktische Frage, wie die Stromversorgung nach einem großen-Stromausfall im Stromnetz so schnell wie möglich wiederhergestellt und die daraus resultierenden Verluste für die Volkswirtschaft minimiert werden können. Schwarzstart ist die wirksame Lösung für dieses Problem.
I. Was ist Black Start?
1. Definition von Schwarzstart
Schwarzstart bezieht sich auf den technischen Prozess, durch den das System nach einem vollständigen Stromausfall aufgrund eines schwerwiegenden Fehlers im gesamten Stromnetz oder in einem lokalen Bereich nach und nach die Hilfsstromversorgung wiederherstellt, die Haupterzeugungseinheiten startet und schließlich mithilfe interner Stromquellen, die selbst-starten können (Schwarzstartquellen), und ohne auf externe Stromunterstützung angewiesen zu sein, eine vollständige Wiederherstellung der Netzstromversorgung erreicht. Sein Kernprinzip ist „keine Abhängigkeit von externer Energie“, und sein Kern ist der autonome Wiederaufbau des Energiesystems von einem „Zustand des Zusammenbruchs“ in einen „Zustand stabilen Betriebs“.
Das Vorhandensein von Schwarzstartfunktionen kann die Ausfalldauer verkürzen, wirtschaftliche Verluste und soziale Auswirkungen verringern, die Stromversorgung kritischer Lasten wie Verkehrsknotenpunkte und Kommunikationsbasisstationen sicherstellen, die öffentliche Sicherheit gewährleisten und die „Anti-{0}}Kollaps- und „Schnellwiederherstellung“-Fähigkeiten des Energiesystems gegen Risiken wie extreme Wetterbedingungen, Geräteausfälle und menschliche Eingriffe verbessern.
2. Traditioneller Implementierungspfad für Black Start
Der herkömmliche Schwarzstart basiert auf einem schrittweisen Prozess: „Selbststart der Stromquelle → Wiederherstellung der Hilfsstromversorgung → Start{3}} der Haupterzeugungseinheiten → Abschnittssynchronisierung und -verbindung → vollständige Wiederherstellung des Netzes.“ Der Kern liegt in der Auswahl von Stromquellen mit „Selbststartfähigkeit“. Die spezifischen Schritte sind wie folgt:
Identifizieren Sie die Schwarzstartquelle: Wählen Sie Energiequellen aus, die ohne externen Strom starten können, traditionell hauptsächlich Wasserkraft und kleine Gasturbinen.
Hilfsenergie wiederherstellen: Die Schwarzstartquelle versorgt zunächst die Hilfssysteme (z. B. Wasserpumpen, Lüfter, Steuersystemstrom) umliegender Kraftwerke (z. B. Wärme- oder Kernkraftwerke) mit Strom und aktiviert so die Hilfsausrüstung der Haupteinheiten.
Starten Sie die Hauptstromerzeugungseinheiten: Nachdem die Hilfsstromversorgung wiederhergestellt ist, starten Sie nach und nach die Hauptstromquellen wie thermische und nukleare Einheiten, um die Stromversorgungskapazität zu erhöhen.
Abschnittssynchronisierung und vollständige Netzwiederherstellung: Synchronisieren und verbinden Sie die wiederhergestellten Abschnitte des Netzes schrittweise mit dem Hauptnetz und erweitern Sie so den Stromversorgungsbereich, bis eine vollständige Netzwiederherstellung erreicht ist.
3. Einschränkungen des traditionellen Schwarzstarts
Der traditionelle Schwarzstart basiert auf Energiequellen wie Wasserkraft und kleinen Gasturbinen, deren technische Eigenschaften es jedoch schwierig machen, den Anforderungen neuer Energiesysteme gerecht zu werden. Der traditionelle Schwarzstart weist starke geografische Abhängigkeiten auf: Wasserkraft ist auf Flüsse und Stauseen angewiesen und kann nur in bestimmten Gebieten eingesetzt werden; Gasturbinen erfordern unterstützende Erdgasleitungen, was die Versorgung abgelegener Gebiete erschwert. Auch ihre Reaktionsgeschwindigkeit ist relativ langsam: Der Start-der Wasserkraft dauert 30 Minuten bis 2 Stunden, bei Gasturbinen 10-30 Minuten, sodass die Nachfrage nach einer „Minuten-Wiederherstellung kritischer Lasten“ nicht gedeckt werden kann. Darüber hinaus emittieren Gasturbinen im Betrieb CO₂ und erfordern eine komplexe mechanische Wartung, was zu hohen jährlichen Betriebskosten führt.
II. Wie Energiespeichersysteme einen Schwarzstart schaffen
Nicht alle Energiespeichertechnologien können die Schwarzstartanforderungen erfüllen. Sie müssen über drei Schlüsselmerkmale verfügen: „Selbststartfähigkeit (Aktivierung ohne externe Stromversorgung)“, „Stabile Ausgangsleistung (Unterstützung von Hilfsstromlasten)“ und „Umfassende Spannungsanpassungsfähigkeit (Anpassung an verschiedene Kraftwerksschnittstellen)“.
1. Selbst-Starten Sie die Steuerungstechnologie
Der Energiespeicher selbst muss über die Fähigkeit zur „Aktivierung ohne Fremdenergie“ verfügen. Der Kern davon besteht darin, einen Selbststart durch eine „Backup-Stromquelle + Steuerungsstrategie“ zu erreichen. Das Energiespeichersystem verfügt über eine eingebaute-USV, die den Controller, den Wechselrichter und das Kühlsystem mit Strom versorgt. Nach der Aktivierung der USV prüft der Controller zunächst den Status der Energiespeicher (Batteriezellen). Nachdem bestätigt wurde, dass keine Fehler vorliegen, startet es den Wechselrichter und wandelt den Gleichstrom von den Speichereinheiten in Wechselstrom um (passend zur Spannung/Frequenz der Hilfsstromversorgung oder -last), wodurch letztendlich ein „autonomes Einschalten“ für das Energiespeichersystem erreicht wird.
2. Lastanpassungs- und Leistungssteuerungstechnologie
In der Anfangsphase des Schwarzstarts können Leistungsschwankungen von Lasten zu einer Überlastung des Energiespeichersystems oder einem Spannungseinbruch führen. Zur Lastanpassung kommen folgende Technologien zum Einsatz:
Lastprognose und -einstufung: Ermitteln Sie den Strombedarf der wiederherzustellenden Lasten im Voraus (z. B. Hilfsstrom etwa 10 MW-50 MW, Krankenhauslasten etwa 1 MW-5 MW). Lasten werden in „Lasten, die unterstützt werden müssen“ (z. B. Steuerungssysteme, Notbeleuchtung) und „Lasten mit verzögertem Start“ (z. B. unkritische Wasserpumpen) kategorisiert, wobei die Lasten, die unterstützt werden müssen, priorisiert werden.
Droop-Steuerung: Verwendet den Statik-Steuerungsalgorithmus des Wechselrichters, um die Ausgangsspannung/-frequenz des Energiespeichersystems automatisch an Laständerungen anzupassen (z. B. nimmt die Frequenz leicht ab, bleibt aber bei steigender Last innerhalb akzeptabler Grenzen) und vermeidet so Leistungseinbußen.
Konfiguration der Energiespeicherkapazität: Berechnen Sie die erforderliche Energiespeicherkapazität basierend auf der Lastleistung und der erforderlichen Wiederherstellungszeit. Formel: Energiespeicherkapazität=Ladeleistung × Wiederherstellungszeit × Sicherheitsfaktor (Sicherheitsfaktor typischerweise 1,2–1,5), um sicherzustellen, dass der Energiespeicher während des Schwarzstartvorgangs nicht erschöpft wird.
3. Netzsynchronisationstechnologie
Nachdem das Energiespeichersystem die Stromversorgung lokaler Verbraucher wiederhergestellt hat, muss es synchronisiert und mit anderen Stromquellen (z. B. herkömmlichen Kraftwerken, neuen Energiekraftwerken) oder dem Hauptnetz verbunden werden. Der Kern besteht darin, eine Synchronisierung in „Spannung, Frequenz und Phase“ zu erreichen:
Verwenden Sie Synchronisierungsgeräte, um in Echtzeit die Spannungsamplitude, Frequenz und Phasendifferenz zwischen dem Energiespeichersystem und der anzuschließenden Seite zu erkennen.
Wenn Abweichungen vorliegen, passt die Steuerung die Lade-/Entladeleistung des Energiespeichersystems an (z. B. Erhöhung der Entladeleistung, um die Frequenz zu erhöhen, Anpassung der Ausgangsphase des Wechselrichters), um die Abweichung auf innerhalb zulässiger Grenzen zu reduzieren (typischerweise Spannungsabweichung kleiner oder gleich 5 %, Frequenzabweichung kleiner oder gleich 0,2 Hz, Phasendifferenz kleiner oder gleich 5 Grad).
Sobald die Abweichung dem Standard entspricht, verwenden Sie Leistungsschalter, um eine „sanfte Verbindung“ zu erreichen (stufenweise Erhöhung der Verbindungsleistung) und so Einschaltströme zu vermeiden, die Geräte beschädigen könnten.
III. Zusammenfassung
Der Schwarzstart ist die letzte Verteidigungslinie für den sicheren Betrieb des Energiesystems. Mit ihren Eigenschaften wie schneller Reaktion, hoher Flexibilität und Nullverschmutzung sind Energiespeichersysteme zu einer wichtigen Ergänzung zu herkömmlichen Schwarzstart-Stromquellen geworden und spielen insbesondere in neuen Energiebasen, zur Gewährleistung kritischer Lasten und unter extremen Bedingungen eine unersetzliche Rolle.
Mit der Entwicklung langfristiger Energiespeichertechnologie und sinkenden Kosten werden Energiespeichersysteme mit herkömmlichen Stromquellen zusammenarbeiten, um ein Schwarzstartsystem zu bilden, das „verteilte + zentralisierte“ Ansätze kombiniert, eine Sicherheitsbarriere gegen Zusammenbruch und schnelle Wiederherstellung des Stromsystems bildet und den stabilen Betrieb des neuen Stromsystems unterstützt.